Une combinaison habile qui mène à la réussite

Texte  Herbert Güttinger, quidconsult, Elgg/Rédaction

Dans la littérature, le concept d’appoint solaire pour le chauffage par pompe à chaleur a été étudié, mais rarement réalisé et documenté. En particulier, l’ampleur des apports solaires à bas niveau de température, les gains convectifs et les effets sur la performance des pompes à chaleur sont peu connus. Lors du remplacement du chauffage au mazout d’une maison individuelle à Elgg en 2019, le concept a été mis en œuvre avec un système comprenant une pompe à chaleur et des accumulateurs alimentés par l’énergie solaire comme source d’énergie pour la pompe à chaleur. Les absorbeurs solaires installés sur la façade sud permettent de récupérer la chaleur de l’air par convection, même lorsque le soleil ne brille pas. Le projet Soleheap a étudié la quantité d’énergie que les capteurs solaires vitrés sur le toit et les absorbeurs solaires non vitrés sur la façade sud de la maison pouvaient effectivement fournir au cours de l’année, et si les accumulateurs permettaient également de surmonter les périodes froides avec peu de soleil. Grâce au soutien de l’Office des déchets, de l’eau et de l’énergie de la Direction des travaux publics du canton de Zurich (AWEL), section énergie et air, l’installation a pu être équipée des dispositifs de mesure nécessaires.

Avec l’énergie solaire ­thermique

Auparavant, une chaudière solaire Schuster de 16 kW alimentée au mazout fournissait la chaleur dans la maison individuelle en bois construite en 1995. La cuve à mazout de 2 m³ contenait un peu plus que les besoins annuels de 1400 à 1600 litres de mazout. Six capteurs solaires suisses d’une surface de 9 m² ont été installés sur le toit sud. Le chauffage et l’eau chaude sanitaire nécessitaient en moyenne 15 00 kWh/a, soit 100 kWh/m² par an, pour une surface de référence énergétique de 150 m². Une installation photovoltaïque de 5,85 kWp a été installée sur les toits ouest et est. Dans le salon se trouve en outre un poêle à accumulation Mantel d’une puissance de chauffage de 2,5 kW. En 2018, le toit et le sol des combles ont été davantage isolés et de nouvelles fenêtres à triple vitrage ont été installées en 2019. L’économie d’énergie primaire ainsi réalisée est de 10 . La chaudière à mazout a été remplacée en octobre 2019 par une pompe à chaleur qui utilise des accumulateurs solaires comme source de chaleur. Ceux-ci sont chauffés à la fois par les capteurs solaires vitrés existants et par des absorbeurs solaires nouvellement installés sur la façade sud. L’idée était que les capteurs solaires produisent de l’eau chaude jusqu’à 30°  en hiver, mais que celle-ci ne peut pas être utilisée directement en raison de son faible niveau de température. En revanche, en combinaison avec des pompes à chaleur, ils peuvent apporter une contribution significative à l’approvisionnement en chaleur. Michael Woodtli et Arthur Huber, Huber Energietechnik AG, ont élaboré le concept hydraulique. Urs ­Jaeggi, Jaeggi Gmünder Energietechnik AG, l’a réalisé avec ses collaborateurs.

Bilan après deux ans

La pompe à chaleur a une puissance de 7,7 kW, ce qui correspond à la moitié de la chaudière à mazout surdimensionnée. Elle utilise les deux réservoirs d’évaporation comme source de chaleur et peut utiliser des températures allant de –6°  à 20° . La température de départ maximale est de 65° . La chaleur produite est injectée dans le réservoir d’eau chaude sanitaire et dans les deux réservoirs de chauffage. La pompe à chaleur est réglée de telle sorte qu’elle démarre à une température de l’évaporateur de –3°  et utilise des températures d’eau glycolée jusqu’à –6° . Les cinq accumulateurs ont un volume de 1 m³ chacun. En été, l’eau chaude est principalement chauffée par les capteurs solaires installés sur le toit. Ceux-ci disposent de leur propre pompe de circulation. En raison de problèmes de condensation, la température d’entrée des capteurs ne peut pas être abaissée en dessous de la température extérieure. Cela réduit la différence de température utilisable et, par conséquent, le rendement pendant le semestre d’hiver. Les absorbeurs solaires non vitrés sur la façade sud permettent d’utiliser la chaleur solaire et la chaleur de convection et fournissent en hiver la majeure partie de l’énergie. La pompe de l’évaporateur sert également de pompe pour le circuit de l’absorbeur. Elle fonctionne donc également lorsque la pompe à chaleur n’est pas en service. Pendant la saison froide, la température des absorbeurs solaires descend souvent en dessous du point de congélation. Une couche de glace se forme alors à la surface des absorbeurs. Cela permet d’utiliser non seulement la chaleur de convection de l’air, mais aussi la chaleur de cristallisation de l’humidité de l’air. Tout au long de l’année, le système gagne suffisamment d’énergie et atteint un coefficient de performance élevé de 5,3. Seuls quelques jours froids et peu ensoleillés de l’hiver sont critiques, pendant lesquels la performance est insuffisante. La capacité de stockage s’est avérée trop faible pour couvrir ces jours. Il faut alors recourir au chauffage au bois. De plus, au cours des deux premières années d’exploitation, il a encore été nécessaire d’enclencher les chauffe-eaux électriques pour l’eau chaude sanitaire et le chauffage. La commande de l’installation doit encore être optimisée.

Des rendements importants en hiver

Le rendement des absorbeurs solaires a été de 524 kWh/m² et celui des capteurs solaires de 711 kWh/m² au cours des douze mois allant du 1^er mai 2020 au 30 avril 2021. Mais pour Soleheap, ce sont surtout les rendements en hiver qui sont importants, et c’est là qu’ils sont nettement plus élevés que dans d’autres projets pilotes. En janvier 2021, les absorbeurs solaires ont fourni 69 kWh/m² et les capteurs solaires vitrés 8 kWh/m². Cela confirme l’hypothèse selon laquelle une réduction de la température de départ des capteurs thermiques par la pompe à chaleur permet d’atteindre une performance plus élevée. L’installation PV n’a fourni que 0,24 kWh/m²au cours du même mois. Les besoins en électricité pour l’immeuble se sont élevés à 7228 kWh au total en 2020. Cela représente environ 5000 kWh de plus que dans les années précédant la mise en service du chauffage par pompe à chaleur. Grâce à des optimisations, les besoins en électricité pour le chauffage et l’eau chaude ont pu être réduits de 5000 kWh à 4394 kWh au cours de la période allant de mai 2020 à avril 2021. L’installation photovoltaïque construite en 2014 produit en moyenne 3760 kWh par an. En 2020, 1539 kWh ont pu être utilisés en autoconsommation.

La 2^e hypothèse de travail, selon laquelle l’augmentation solaire de la température de la source permet d’augmenter le coefficient de performance (COP) et donc le coefficient de travail annuel de la pompe à chaleur et de réduire ainsi les besoins en électricité, s’est également confirmée avec le coefficient de travail annuel élevé de 5,3. Ce sont surtout les températures de départ de 15° à 20°  pendant le semestre d’été qui y contribuent. Pendant les mois de novembre à janvier, le COP est légèrement inférieur. Pour les pompes à chaleur à sondes géothermiques, les températures de la source sont certes plus élevées de mi-novembre à mi-février que pour Soleheap, mais elles sont plus basses les autres mois. Les pompes à chaleur à air doivent s’accommoder de températures de source plus basses, surtout en hiver.

Le système fonctionne

Les besoins en électricité d’une installation de pompe à chaleur pour le chauffage et l’eau chaude peuvent être réduits aussi bien par des mesures techniques dans le bâtiment que par une augmentation de l’efficacité de la production de chaleur. Dans le cadre de la transition énergétique, la réduction de la consommation d’électricité pendant la saison froide revêt une importance particulière. En exploitant toutes les possibilités, il est possible de réduire la consommation d’électricité d’une installation de pompe à chaleur pour le chauffage et l’eau chaude à 2 00 kWh/an. Le potentiel d’une utilisation combinée de l’énergie solaire, des pompes à chaleur et du sto­ckage est particulièrement important en hiver. Le besoin en électricité peut être réduit jusqu’à 40  par rapport aux installations de pompes à chaleur conventionnelles. En cas de rénovation, cela pourrait être plus avantageux que l’isolation des bâtiments. Pour les nouvelles constructions avec de faibles besoins énergétiques, Soleheap est une bonne solution, car les installations solaires et les accumulateurs peuvent être dimensionnés de manière optimale lors de la planification. L’installation solaire thermique fournit en outre l’eau chaude en été. Un réchauffement solaire du départ de l’évaporateur pourrait également servir d’alternative ou de complément à la régénération des sondes géothermiques. Tout en préservant la sonde géothermique, il est possible d’obtenir des coefficients de performance plus élevés. Le projet présenté est un prototype adapté à une situation spécifique et peut donc encore être amélioré. Les coûts d’une telle installation sont de l’ordre de grandeur de ceux d’une installation de pompe à chaleur à sonde géothermique. La recherche orientée vers la pratique, le développement ainsi que la construction et l’exploitation de tels projets pilotes et de démonstration dans le domaine de la technique du bâtiment sont difficiles dans une branche fortement fragmentée. La pratique et les centres de recherche, notamment dans les hautes écoles spécialisées, devraient être davantage soutenus, voire encouragés. 

Rapport complet  www.zh.ch/energie